Всего за микросекунды небольшой всплеск на краю плазмы меняет её вращение на несколько сантиметров вглубь. На петербургском сферическом токамаке «Глобус-М2» исследователи Политеха и Физико-технического института имени Иоффе проследили, как такие события перестраивают электрическое поле и движение плазмы.

Барьер на краю плазмы

Плазму в токамаке удерживает магнитное поле. В режиме улучшенного удержания, который физики называют H-режимом, на её краю возникает транспортный барьер: он помогает сохранять тепло внутри. Большой перепад давления при этом сопровождается короткими всплесками — периферийными локализованными модами, или ELM. Устройство этого режима описано в сообщении Минобрнауки от 6 марта 2026 года.

Во время ELM энергия и частицы переносятся к периферии. Слишком интенсивные всплески способны создавать опасные нагрузки на стенки камеры. Поэтому физики исследуют и удержание горячей плазмы, и характер её потерь, отдельно измеряя происходящее на краю.

Собственная жизнь малых всплесков

Режимы с малыми ELM привлекали исследователей сочетанием хорошего удержания и отсутствия крупных разрушительных всплесков. Такое исходное представление описано в научной новости Политеха от 26 февраля 2026 года. Совместный эксперимент СПбПУ и ФТИ имени Иоффе показал, что небольшие события формируют самостоятельную динамику периферии, а не просто воспроизводят крупные в уменьшенном масштабе.

Во время всплеска меняются температура, концентрация частиц и токи. Возникают вытянутые плазменные структуры — филаменты. Одновременно ускоряется вращение плазмы, и это изменение прослеживается на несколько сантиметров вглубь. Весь процесс занимает микросекунды: воздействие события выходит за пределы узкого приграничного слоя.

Температура, скорость и энергия

По данным Минобрнауки, измерения на «Глобусе-М2» показали сразу несколько изменений во время ELM:

  • Температура электронов в приграничной области увеличивалась до пяти раз, а концентрация частиц — примерно вдвое.
  • Скорость вращения плазмы возрастала приблизительно на 50 процентов.
  • Филаменты двигались со скоростью 3–10 километров в секунду.
  • Быстрые ионы регистрировались с энергией на 6 килоэлектронвольт выше энергии инжекции.

Эти измерения описывают разные стороны одного короткого события: нагрев электронов, изменение движения плазмы и перераспределение энергии частиц.

Яркие нити в камере

На кадрах быстрой камеры филаменты выглядят как яркие линии. В публикации СПбПУ от 4 марта 2026 года вместе с ними показаны направления магнитного поля, вдоль которых вытянуты плазменные структуры. Камера позволяет увидеть их форму, а измерения вращения и электрического поля — проследить перестройку плазмы непосредственно во время всплеска.

Для изучения вращения на «Глобусе-М2» применяли диагностику допплеровского обратного рассеяния. Этот метод позволяет определять скорость вращения и относительный уровень турбулентности. Во время периферийных мод исследователи наблюдали изменение скорости и усиление турбулентности. Измерительный метод и эти наблюдения описаны в аннотации исследования 2026 года в электронной библиотеке СПбПУ.

Данные для расчётов

Измеренная перестройка периферии помогает уточнять расчёты нагрузок на стенки камеры. Малые всплески тоже нужно учитывать при описании поведения плазмы: они меняют её движение, температуру и распределение энергии.

Исследователи связывают работу с переходом от опытного подбора рабочих режимов к более предсказуемому управлению плазмой. Полученные данные нужны и для учёта эффектов, которые могут проявиться при переходе от экспериментальной установки к будущему реактору. Надёжная длительная работа такой установки остаётся инженерной задачей, решению которой должны помочь измерения.

Результаты совместной работы опубликованы в журнале Physics of Plasmas. Исследование поддержал Российский научный фонд.